GIS技術在海島開發管理中的應用

冼嘉俊，張一帆

（廣東省海洋資源研究發展中心 廣州市 510220）

2009年12月，第十一屆全國人民代表大會常務委員會第十二次會議通過了《中華人民共和國海島保護法》，海島開發從此有法可依。2011年4月，國家公布首批176 個無居民海島開發名錄，國家已將公布“開發利用無居民海島名錄”作為一項制度納入常規工作。海島開發主導用途涉及旅游娛樂、交通運輸、工業、倉儲、漁業、農林牧業、可再生能源、城鄉建設、公共服務等多個領域。

在海島開發管理中涉及到大量的地理信息數據和規劃要素，隨著海島開發管理規范的進一步完善，對此提出了更高的要求。通過GIS 軟件能更輕易、更精確、更直觀地對海島開發進行管理，更利于科學合理地開發利用海島，降低開發利用帶來的不利影響。

1 GIS 技術

GIS（Geographic Information System，地理信息系統）是一門綜合性學科，結合地理學與地圖學，已經廣泛地應用在不同的領域，是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統，現在也稱GIS 為“地理信息科學”（Geographic Information Science）。GIS 是一種特定的十分重要的空間信息系統，是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。GIS 屬于信息系統的一類，不同在于它能運作和處理地理參照數據。地理參照數據描述地球表面（包括大氣層和較淺的地表下空間）空間要素的位置和屬性，在GIS 中的兩種地理數據成分：空間數據，與空間要素幾何特性有關；屬性數據，提供空間要素的信息。地理信息系統（GIS）與全球定位系統（GPS）、遙感系統（RS）合稱3S 系統。

GIS 技術能夠應用于科學調查、資源管理、發展規劃、數值模擬、繪圖和路線規劃。例如，GIS 能使海島開發者計算出建筑工程施工所需要的面積和土方量，或利用GIS 系統來制作海島開發效果圖及專業圖件。

目前，較為常用的GIS 軟件有ESRI 系列及MapInfo 系列，它們都能夠提供一套完整的地理資訊系統，以供客戶使用。其中ESRI 提出“用地理設計美化生活、將地理知識人人共享”的理念，時至如今，這個理念深深融入ArcGIS 10 中。本文將以ArcGIS 10 軟件作為主要應用軟件對海島開發進行管理。

2 GIS 應用于海島開發管理

2.1 海島地理信息數據處理

海島地理信息數據主要分為基礎地理信息數據和現狀使用信息數據。

基礎地理信息數據包括：島岸線、等高線、高程點、植被分布范圍、地質、河流、海島周邊等深線、灘涂等。基礎地理信息數據可通過從地形圖、海圖、高分辨率遙感數據等大比例尺且精確度較高的資料中提取，如更大比例尺的數據需要通過地形測量獲取。

現狀使用信息數據包括：建筑物、碼頭、道路、燈塔、信號塔、海島周邊養殖、航道、海洋工程等。現狀使用信息數據可通過從高分辨率遙感數據、海島規劃設計圖、地形測量等途徑獲取。

在獲取到基礎地理信息數據和現狀使用信息數據后要將所有矢量數據統一到同一坐標系，現時使用較多的坐標系是WGS—84 大地坐標系和2000 國家大地坐標系，高程基準應統一采用1985 國家高程基準。數據需要按內容建立各自的矢量文件，并在各自的數據屬性表中標注每一個數據的信息，如等深線的水深值、等高線的高程值、建筑物的名稱。

2.2 建立海島信息數據庫

海島所涉及的信息量非常龐大且數據種類多、結構復雜、時空性強，通過GIS 軟件建立海島信息數據庫更有利于數據的維護更新、檢索、管理和模擬計算。海島信息數據庫可分為海島地理信息數據庫和海島管理信息數據庫。

海島地理信息數據庫是由不同時期不同比例尺的地形、地貌、環境、生物分布、水系、氣象、交通、遙感等數據組成，時空性較強。

海島管理信息數據庫是由歷史海島建筑物情況、居民情況、經濟情況、災害情況、環境承載力、資源量等數據組成，可再按其屬性劃分子庫。

建立海島信息數據庫后可通過GIS 軟件生成相應的圖表并根據關鍵字進行關聯，使繁瑣的數據資料變得更直觀。

2.3 計算海島表面積、體積和工程施工土方量

海島表面積是海島的一個重要參數，海島拍賣前必須計算一個較為精確的值，結果關系到海島使用金的金額，也在一定程度上體現海島坡度情況。

土方量的計算是工程施工的一個重要步驟，工程施工前的設計階段必須對土方量進行預算，結果直接關系到工程的費用概算和方案的選定。

ArcGIS10 包含有許多功能模塊，其中之一是3D Analyst 模塊，該模塊提供了生成、可視化、分析GIS 三維數據的工具。ArcGIS10 計算土方量是以DEM 為基礎，通過模型與施工范圍和高程疊加劃分出回填和開挖區域再分別計算該區域的體積。計算海島自然表面積、工程施工土方量的重點是生成相應的TIN（Triangulated Irregular Network，不規則三角網）和DEM（Digital Elevation Model，數字高程模型），具體流程如圖1所示。

圖1 計算流程

計算海島的自然表面積時只需要運用3D Analyst 中的surface 工具即可。

計算土石開挖量，需要建立多邊形圖層（polygon）并在其中畫出每個工程施工的范圍，設置范圍的高程值，利用Polygon Volume 工具可以計算位于polygon 和tin 之間的體積和表面積，把Reference Plane 值設為ABOVE 就能求出土石開挖表面積和體積，把Reference Plane 的值設為BELOW 就能求出回填表面積和體積。

2.4 制作海島相關圖件

GIS 軟件可用于制作海島的區位圖、功能分區圖、現狀圖、地形圖、植被類型分布圖、界址圖、三維效果圖等。本文以制作海島三維效果圖為例示范GIS 軟件的制圖功能。

ArcScene 是ArcGIS 中顯示三維數據的工具，利用ArcScene 可以模擬海島的真實情況，制作出等比例、任意角度的海島三維效果圖。圖2 為制作的最終效果圖。

圖2 最終效果圖

制作步驟如下：

（1）利用島岸線生成海島多邊形并設置海島多邊形高程。

（2）使用TIN Domain 工具以TIN 生成三維邊界線并適當進行拉伸。

（3）把海島多邊形與三維邊界疊加得到海島模型底座。

（4）把高清遙感影像、航拍影像利用特征點配準，然后渲染到TIN 或者DEM 表面。用屬性中的custom 值進行拉伸使地形起伏更明顯。

（5）將渲染好的三維表面與模型底座疊加得到海島三維模型。

（6）調整好海島三維模型的角度與視角就可以生成海島三維效果圖。

3 經驗和心得

（1）ArcGIS 軟件所使用的shape 文件不支持點、線、面3 種樣式的數據在同一文件中，遇到同時擁有這3 種樣式的數據時需要分開存放到不同的shape 文件中，為了更容易排序和查找，應該將這3 套shape 文件用同一名稱命名并在相應的文件后面添加點、線、面標識以作區分。

（2）在應用ArcGIS 軟件進行海島地理信息數據處理的過程中，經常會需要錄入大量的坐標以及相應的屬性信息，手工錄入往往要花費大量的人力和時間并且容易出錯。為了解決這個問題，錄入前可先用EXCEL 制作一個特定格式的坐標文件（見表1）將坐標數據整理到表中，再利用ArcGIS 自帶的“ADD XY DATE”控件將坐標文件導入ArcGIS 中；如在坐標文件中增加相應的列，同樣可以導入其他屬性信息。

表1 特定格式坐標文件的表頭設計

（3）不少數據在獲取時是以AutoCAD 軟件格式存放，ArcGIS 軟件可直接打開AutoCAD 格式的文件，但在打開前需要注意配置好空間的坐標系、投影等信息，特別是投影屬性中的中央經線設置。

（4）制作相關圖件時應該先確定好圖件幅面大小，根據幅面大小和需要顯示的內容選取合適的比例尺，如果比例尺不能滿足需求時再反過來對圖件幅面進行調整直到合適為止。如果圖件需要附在報告中或裝訂成冊，在制作時需要預留足夠的裝訂位和頁眉頁腳位置。

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